CHIMP executa uma das tarefas mais difíceis - tentar conectar uma mangueira de incêndio a um hidrante
Organizado pela Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), o Robotics Challenge promete revolucionar as capacidades dos sistemas e a forma como são concebidos. Vamos dar uma olhada neste evento e avaliar a opinião de vários jogadores importantes
Em 11 de março de 2011, o Japão foi atingido por um poderoso terremoto com epicentro a cerca de 70 km da costa leste de Honshu. Como resultado de um terremoto de magnitude 9, formaram-se ondas que atingiram 40 metros de altura e se propagaram para o interior por 10 km.
A usina nuclear Fukushima I ficou no caminho do tsunami devastador. Quando ondas gigantes atingiram a estação, os reatores foram catastroficamente destruídos. Este incidente se tornou a pior tragédia nuclear desde o acidente na usina nuclear de Chernobyl em 1986. Este evento serviu de base para o cenário de talvez um dos programas de robótica mais significativos até hoje - RDC (DARPA Robotics Challenge - testes práticos de sistemas robóticos no âmbito do programa Advanced Research and Development Administration do Departamento de Defesa dos EUA).
Os testes da RDC foram anunciados em abril de 2012, e a ajuda humanitária foi escolhida como cenário para esses testes. O desenvolvimento de novos sistemas teve que ser realizado dentro desse cenário, principalmente pelo fato de estar incluído nas 10 missões-chave do Departamento de Defesa dos Estados Unidos, identificadas pela Casa Branca e pelo Secretário de Defesa em janeiro. 2012 Em dezembro de 2013, no âmbito destas competições, passou-se uma importante etapa, quando se realizaram pela primeira vez na Flórida as primeiras provas “em grande escala”.
Os DRCs diferem em várias maneiras inovadoras, eles combinam testes virtuais e de campo e estão abertos a equipes financiadas e não financiadas. Este evento consiste em quatro seções ou trilhas; A DARPA forneceu apoio financeiro para duas pistas, Pista A e Pista B, e abriu essas competições para todos os recém-chegados.
Das quatro faixas, duas (Faixa A e Faixa B) receberam financiamento. Após um anúncio geral e o envio da inscrição, a DARPA selecionou sete equipes para a Trilha A para desenvolver novo hardware e software; na trilha B, 11 equipes desenvolveram apenas software.
A faixa C não é financiada e está aberta a novos membros de todo o mundo; Como os participantes da Faixa B, seus participantes usaram principalmente um programa de simulação de robô virtual para testar seu software. A Faixa D é destinada a contribuidores estrangeiros que desejam desenvolver hardware e software, mas sem financiamento da DARPA em qualquer estágio.
A chave para a abordagem inovadora de DRC é o componente VRC (Virtual Robotics Challenge). As equipes melhor classificadas - sejam da Pista B ou C - receberão financiamento da DARPA, assim como o robô Atlas da Boston Dynamics, com o qual participarão de testes de campo.
Em maio de 2013, as equipes da Pista B e Pista C se inscreveram para se qualificar para o VRC, que foi realizado no mês seguinte. De mais de 100 equipes registradas, apenas 26 continuaram a se mudar para o VRC e apenas 7 equipes abordaram os testes em escala real.
Os VRCs ocorreram em um espaço virtual altamente preciso licenciado sob a licença Apache 2 da Open Source Foundation. As equipes foram encarregadas de completar três das oito tarefas que foram identificadas para robôs reais nos primeiros testes de campo.
Testando
Embora os robôs demonstrados no VRC fossem impressionantes, como eles se comportariam nos testes de campo não era 100% certo; no entanto, Jill Pratt, Diretora de Programa da Competição da RDC, disse que estava muito satisfeito com suas capacidades. “Esperávamos que, como esta era a primeira parte física do teste, pudéssemos ver muitas quebras de hardware, mas na verdade não foi o caso, todo o hardware era muito confiável. As primeiras equipes, especialmente as três primeiras, conseguiram obter mais da metade dos pontos e fizeram progressos significativos mesmo quando interferimos deliberadamente no canal de comunicação."
Pratt também ficou impressionado com as capacidades do robô Atlas, "Ele realmente superou nossas expectativas … Boston Dynamics fez um trabalho exemplar para garantir que nenhuma das equipes seja prejudicada por qualquer tipo de falha de hardware."
No entanto, ainda há espaço para melhorias, como braços do manipulador com espaço de trabalho limitado e vazamentos do sistema hidráulico do robô. O processo de modernização começou antes mesmo do evento, em dezembro de 2013. Pratt disse que também gostaria de aumentar o número de instrumentos diferentes nas finais e os robôs provavelmente terão um cinto com ferramentas de onde precisarão selecionar as ferramentas necessárias e trocá-las durante a execução do script.
O robô Atlas também foi elogiado por Doug Stephen, pesquisador e engenheiro de software do Instituto de Habilidades Cognitivas Humanas e de Máquina da Flórida, cuja equipe ficou em segundo lugar na Trilha B em testes de campo. "Este é um robô maravilhoso … trabalhamos com ele 200 horas de tempo limpo em dois ou três meses e isso é muito incomum para uma plataforma experimental - a capacidade de trabalhar de forma constante e não quebrar."
Existem esforços literalmente heróicos por trás das impressionantes capacidades robóticas da RDC; as atribuições são projetadas para ser particularmente desafiadoras e desafiar o hardware e o software desenvolvidos pelas equipes.
Embora as tarefas fossem difíceis, Pratt não acha que a DARPA colocou a fasquia muito alta, observando que todas as tarefas foram concluídas por pelo menos uma das equipes. Conduzir e unir as mangas foram as tarefas mais difíceis. Segundo Stephen, a primeira foi a mais difícil: “Eu diria com certeza - a tarefa de dirigir um carro, e nem mesmo por causa da direção em si. Se você deseja uma direção totalmente autônoma, o que é muito difícil, você sempre terá um operador de robô. Dirigir não foi tão difícil, mas sair do carro é muito mais difícil do que as pessoas podem imaginar; é como resolver um grande quebra-cabeça 3D."
De acordo com o formato das Finais da RDC, previstas para dezembro de 2014, todas as tarefas serão combinadas em um cenário contínuo. Isso tudo para torná-lo mais confiável e dar às equipes escolhas estratégicas sobre como executá-lo. A dificuldade também aumentará, e Pratt acrescentou: “Nosso desafio para as equipes que se saíram bem em Homestead é torná-lo ainda mais difícil. Vamos remover os cabos amarrados, remover os cabos de comunicação e substituí-los por um canal sem fio, enquanto vamos degradar a qualidade da conexão para que fique ainda pior do que nos testes anteriores."
“Meu plano no momento é fazer com que a conexão seja intermitente, às vezes terá que desaparecer completamente, e acredito que isso deva ser feito de forma aleatória, como acontece em desastres reais. Vamos ver o que os robôs podem fazer, trabalhando por alguns segundos, ou talvez até um minuto, tentando realizar algumas subtarefas por conta própria, mesmo que não estejam completamente desligados do controle do operador e acho que será muito interessante visão."
Pratt disse que os sistemas de segurança também serão removidos na final. "Isso significa que o robô terá que resistir à queda, também significa que ele terá que escalar sozinho e, na verdade, será bastante difícil."
O robô Schaft remove detritos de seu caminho
Desafios e estratégias
Das oito equipes durante os testes, cinco utilizaram o robô ATLAS, no entanto, os participantes da Pista A - o vencedor da Equipe Schaft e o terceiro vencedor da Equipe Tartan Rescue - utilizaram seus desenvolvimentos. Originalmente do Centro Nacional de Engenharia Robótica da Carnegie Mellon University (CMU), a Tartan Rescue desenvolveu a CMU Highly Intelligent Mobile Platform (CHIMP) para testes de DRC. Tony Stentz, da Tartan Rescue, explicou o raciocínio da equipe para desenvolver seu próprio sistema: "Pode ser mais seguro usar um robô humanóide pronto para uso, mas sabíamos que poderíamos criar um design melhor para resposta a desastres."
“Nós sabíamos que tínhamos que criar algo aproximadamente humano, mas não gostávamos da necessidade de robôs humanóides para manter o equilíbrio enquanto se moviam. Quando robôs bípedes se movem, eles precisam manter o equilíbrio para não cair, e isso é bastante difícil em uma superfície plana, mas quando você fala em se mover através de escombros de construção e pisar em objetos que podem se mover, fica ainda mais difícil. Portanto, o CHIMP é estaticamente estável, repousa sobre uma base bastante larga e, na posição vertical, ele rola sobre um par de trilhos a seus pés, para que possa ir para frente e para trás e girar no lugar. Ele pode ser posicionado com facilidade o suficiente para estender as mãos e carregar tudo o que você precisa durante a tarefa; quando precisa se mover em terrenos mais difíceis, pode cair nos quatro membros, já que também tem hélices de lagarta nas mãos.
Inevitavelmente, equipes de diferentes áreas enfrentaram diferentes desafios na preparação para os testes, o Institute for Human and Machine Cognitive Abilities focou no desenvolvimento de software, porque este é o problema mais difícil - a transição do VRC para os problemas de campo. Stephen disse que “quando o robô Atlas foi entregue a nós, ele tinha dois 'modos' que você poderia usar. O primeiro é um conjunto simples de movimentos fornecido pela Boston Dynamics que você pode usar para movimento e que foi ligeiramente subdesenvolvido. Descobriu-se que a maioria das equipes usava esses modos integrados do Boston Dynamics durante a competição Homestead, muito poucas equipes escreveram seu próprio software de controle de robô e ninguém escreveu seu próprio software para o robô inteiro …"
“Nós escrevemos nosso próprio software do zero e era um controlador de corpo inteiro, ou seja, era um controlador que funcionava em todas as tarefas, nunca trocamos para outro programa ou para outro controlador … Portanto, uma das tarefas mais difíceis era criar o código do programa e executá-lo no Atlas, pois era uma espécie de caixa preta quando a Boston Dynamics o apresentou para nós, mas é o robô e o IP deles, então realmente não tínhamos acesso de baixo nível ao computador de bordo. o software é executado em um computador externo e depois se comunica com o uso de uma API (Interface de Programação de Aplicativo) sobre fibra com um computador de bordo, portanto, há grandes atrasos e problemas com a sincronização e torna-se bastante difícil controlar um sistema tão complexo como o Atlas."
Embora escrever seu próprio código do zero fosse certamente mais difícil e demorado para o Institute for Human and Machine Cognitive Abilities, Stephen acredita que essa abordagem é mais lucrativa, pois quando surgem problemas, eles podem ser resolvidos mais rápido do que confiar no Boston Dynamics. Além disso, o software companheiro Atlas não era tão avançado quanto o software que Boston Dynamics usa em suas próprias demonstrações “quando eles enviaram o robô … eles disseram abertamente que os movimentos não são o que você vê quando Boston Dynamics carrega um vídeo de o robô para o Youtube, trabalhando no software desta empresa. Esta é uma versão menos avançada … isso é o suficiente para treinar o robô. Não sei se eles iriam fornecer o código para os comandos usarem, não acho que eles esperavam que todo mundo escrevesse seu próprio software. Ou seja, o que foi entregue junto com o robô é possível desde o início e não se destinava a completar todas as oito tarefas nos testes práticos da RDC."
O maior desafio para a equipe Tartan Rescue foi o cronograma apertado que eles tiveram que cumprir ao desenvolver a nova plataforma e software relacionado. “Quinze meses atrás, o CHIMP era apenas um conceito, um desenho no papel, então tivemos que projetar as peças, fazer os componentes, juntar tudo e testar tudo. Sabíamos que levaria a maior parte do nosso tempo, não podíamos esperar e começar a escrever software até que o robô estivesse pronto, então começamos a desenvolver software em paralelo. Na verdade, não tínhamos um robô completo para trabalhar, então usamos simuladores e substitutos de hardware durante o desenvolvimento. Por exemplo, tínhamos um braço manipulador separado que podíamos usar para verificar certas coisas para um único membro”, explicou Stentz.
Referindo-se às complicações que irão piorar a degradação dos canais de transmissão de dados, Stentz observou que esta decisão foi tomada desde o início especificamente para tais situações e que não é um problema muito difícil. “Temos sensores montados na cabeça do robô - telêmetros a laser e câmeras - que nos permitem construir um mapa de textura 3D completo e um modelo do ambiente do robô; é isso que usamos do lado do operador para controlar o robô e podemos imaginar essa situação em diferentes resoluções dependendo da banda de frequência disponível e do canal de comunicação. Podemos focar nossa atenção e obter uma resolução mais alta em algumas áreas e uma resolução mais baixa em outras áreas. Temos a capacidade de controlar remotamente o robô diretamente, mas preferimos um nível de controle mais alto quando definimos os alvos para o robô e este modo de controle é mais resistente à perda de sinal e atrasos.”
O robô Schaft abre a porta. Recursos aprimorados de manuseio robótico serão essenciais para sistemas futuros
Próximos passos
Stentz e Stephen disseram que suas equipes estão atualmente avaliando suas capacidades em testes do mundo real para avaliar quais ações precisam ser tomadas para seguir em frente, e que estão aguardando uma revisão da DARPA e informações adicionais sobre o que estará nas finais. Stephen disse que eles também estão ansiosos para receber algumas modificações para o Atlas, observando um requisito já aprovado para as finais - o uso de uma fonte de alimentação a bordo. Para o CHIMP, isso não é um problema, pois o robô com acionamento elétrico já pode carregar suas próprias baterias.
Stentz e Stephen concordaram que há uma série de desafios que precisam ser enfrentados no desenvolvimento do espaço de sistemas robóticos e na criação de tipos de plataforma que podem ser usados em cenários de alívio de desastres. “Eu diria que não há nada no mundo que possa ser uma panacéia. Em termos de hardware, acredito que máquinas com recursos de manipulação mais flexíveis podem ser úteis. Quanto ao software, acredito que os robôs precisam de um maior nível de autonomia para que possam ter um melhor desempenho sem um canal de comunicação em operações remotas; eles podem completar tarefas mais rapidamente porque eles próprios fazem muitas coisas e tomam mais decisões por unidade de tempo. Acho que a boa notícia é que as competições da DARPA são realmente projetadas para promover hardware e software”, disse Stentz.
Stephen acredita que melhorias nos processos de desenvolvimento de tecnologia também são necessárias. “Como programador, vejo muitas maneiras de melhorar o software e também vejo muitas oportunidades de melhoria enquanto trabalho nessas máquinas. Muitas coisas interessantes acontecem em laboratórios e universidades onde pode não haver uma cultura forte desse processo, então às vezes o trabalho acontece de forma aleatória. Além disso, olhando para os projetos realmente interessantes nos testes DRC, você percebe que há muito espaço para melhorias e inovação de hardware."
Stephen observou que o Atlas é um excelente exemplo do que pode ser alcançado - um sistema viável desenvolvido em um curto espaço de tempo.
Para Pratt, porém, o problema está mais definido e ele acredita que a melhoria do software deve vir primeiro. “O que estou tentando transmitir é que a maior parte do software está entre as orelhas. Quero dizer, o que está acontecendo no cérebro do operador, o que está acontecendo no cérebro do robô e como os dois concordam um com o outro. Queremos focar no hardware do robô e ainda temos problemas com ele, por exemplo, temos problemas com custos de produção, eficiência energética … Sem dúvida o mais difícil é o software; e é o código de programação para a interface robô-humano e o código de programação para os próprios robôs realizarem a tarefa por conta própria, que inclui percepção e consciência situacional, consciência do que está acontecendo no mundo e escolhas baseadas no que o robô percebe."
Pratt acredita que encontrar aplicações de robôs comerciais é a chave para desenvolver sistemas avançados e fazer o setor avançar. “Acho que realmente precisamos de aplicativos comerciais além do gerenciamento de desastres e defesa geral. A verdade é que os mercados, defesa, resposta de emergência e socorro a desastres, são minúsculos em comparação com o mercado comercial."
“Gostamos de falar muito sobre isso na DARPA, tomando o celular como exemplo. A DARPA financiou muitos dos desenvolvimentos que levaram à tecnologia usada em telefones celulares … Se este fosse apenas o mercado de defesa para o qual as células foram destinadas, elas custariam muitas ordens de magnitude a mais do que agora, e isso se deve ao enorme mercado comercial que permitiu obter uma disponibilidade incrível de telefones celulares …”
“No campo da robótica, nossa visão é que precisamos exatamente dessa sequência de eventos. Precisamos ver o mundo comercial comprando aplicativos que farão os preços caírem e, então, poderemos criar sistemas específicos para os militares, nos quais serão feitos investimentos comerciais”.
As primeiras oito equipes participarão dos testes de dezembro de 2014 - Equipe Schaft, IHMC Robotics, Tartan Rescue, Equipe MIT, Robosimian, Equipe TRAClabs, WRECS e Equipe Trooper. Cada um receberá US $ 1 milhão para melhorar suas soluções e, no final das contas, a equipe vencedora receberá um prêmio de US $ 2 milhões, embora, para a maioria, o reconhecimento seja muito mais valioso do que dinheiro.
Robosimian do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA tem um design incomum
Elemento virtual
A inclusão da DARPA de duas faixas nos testes da RDC, nos quais apenas equipes de desenvolvimento de software participam, fala do desejo da administração de abrir programas para o mais amplo círculo possível de participantes. Anteriormente, esses programas de desenvolvimento de tecnologia eram prerrogativa de empresas de defesa e laboratórios de pesquisa. Porém, a criação de um espaço virtual no qual cada equipe pode testar seu software permitiu que concorrentes com pouca ou nenhuma experiência no desenvolvimento de softwares para robôs competissem no mesmo nível que empresas renomadas na área. A DARPA também vê o espaço simulado como um legado de longo prazo dos testes da RDC.
Em 2012, a DARPA contratou a Open Source Foundation para desenvolver um espaço virtual para o Challenge, e a organização começou a criar um modelo aberto usando o software Gazebo. Gazebo é capaz de simular robôs, sensores e objetos em um mundo 3D e é projetado para fornecer dados de sensor realistas e o que é descrito como “interações fisicamente plausíveis” entre objetos.
O presidente da Open Source Foundation, Brian Goerkey, disse que o Gazebo foi usado por causa de suas capacidades comprovadas. “Esse pacote é bastante utilizado na comunidade robótica, por isso a DARPA quis apostar nele, pois vimos seus benefícios no que ele faz; poderíamos construir uma comunidade de desenvolvedores e usuários em torno dele."
Embora o Gazebo já fosse um sistema bem conhecido, Gorky observou que, embora ainda houvesse espaço para lutar, medidas deveriam ser tomadas para atender aos requisitos identificados pela DARPA. “Fizemos muito pouco para modelar robôs ambulantes, focamos principalmente em plataformas com rodas e existem alguns aspectos da modelagem de robôs ambulantes que são bastante diferentes. Você tem que ter muito cuidado sobre como você faz a resolução de contato e como você modela o robô. Dessa forma, você pode obter bons parâmetros em troca de precisão. Muito esforço foi despendido na simulação detalhada da física do robô, para que você possa obter simulações de boa qualidade e também fazer o robô trabalhar quase em tempo real, ao invés de trabalhar em um décimo ou centésimo de tempo real, o que é provável, se não por todo o esforço que você fez."
Um robô Atlas simulado entra em um carro durante a fase de competição virtual da RDC
Em relação à simulação do robô Atlas para o espaço virtual, Görki disse que a Fundação teve que começar com um conjunto de dados básico. “Começamos com um modelo fornecido pela Boston Dynamics, não começamos com modelos CAD detalhados, tínhamos um modelo cinemático simplificado que nos foi fornecido. Basicamente, um arquivo de texto que diz o comprimento dessa perna, o tamanho dela e assim por diante. O desafio para nós era ajustar corretamente e com precisão este modelo para que pudéssemos obter um compromisso no desempenho em troca de precisão. Se você estiver modelando de maneira simplista, poderá introduzir algumas imprecisões no mecanismo de física subjacente, o que o tornará instável em certas situações. Portanto, muito trabalho é alterar um pouco o modelo e, em alguns casos, escrever seu próprio código para simular certas partes do sistema. Esta não é apenas uma simulação de física simples, há um nível abaixo do qual não iremos."
Pratt está muito otimista sobre o que foi alcançado com o VRC e o espaço simulado. “Fizemos algo que nunca aconteceu antes, criamos uma simulação de processo realista do ponto de vista físico que pode ser executada em tempo real para que o operador possa fazer seu trabalho interativo. Você realmente precisa disso, já que estamos falando de uma pessoa e um robô como uma equipe, então a simulação de um robô deve funcionar no mesmo intervalo de tempo que uma pessoa, ou seja, em tempo real. Aqui, por sua vez, é necessário um compromisso entre a precisão do modelo e sua estabilidade … Acredito que já conquistamos muito na competição virtual.”
Stephen explicou que o Instituto de Habilidades Cognitivas Humanas e de Máquina do IHMC enfrentou diferentes desafios no desenvolvimento de software. “Usamos nosso próprio ambiente de simulação, que integramos ao Gazebo como parte de uma competição virtual, mas muito do nosso desenvolvimento é feito em nossa plataforma chamada Simulation Construction Set … usamos nosso software quando lançamos um robô real, fizemos muita modelagem e este é um dos nossos pilares, esperamos ter uma boa experiência de desenvolvimento de software."
Stephen disse que a linguagem de programação Java é preferida no IHMC porque tem "uma caixa de ferramentas realmente impressionante que cresceu em torno dela." Ele observou que, ao combinar o Gazebo com seu próprio software, “o principal problema é que escrevemos nosso software em Java e a maioria dos softwares para robôs usa C ou C ++, que são muito bons para sistemas embarcados. Mas queremos fazer o trabalho em Java da maneira que queremos - fazer nosso código funcionar em um determinado período de tempo, já que é implementado em C ou C ++, mas ninguém mais o usa. É um grande problema fazer com que todos os programas Gazebo funcionem com nosso código Java.”
A DARPA e a Open Source Foundation continuam a desenvolver e melhorar a simulação e o espaço virtual. “Estamos começando a implementar elementos que tornarão o simulador mais útil em um ambiente diferente, fora do local de resgate. Por exemplo, pegamos o software que usamos na competição (chamado CloudSim porque simula no ambiente de computação em nuvem) e o desenvolvemos com a intenção de rodar em servidores em nuvem”, disse Görki.
Uma das principais vantagens de ter um ambiente simulado aberto para uso público e trabalhando com ele na nuvem é que cálculos de alto nível podem ser realizados por sistemas mais poderosos em servidores, permitindo assim que as pessoas usem seus computadores leves e até mesmo netbooks e tablets.para trabalhar no seu local de trabalho. Görki também acredita que essa abordagem será muito útil para o ensino, bem como para o design e desenvolvimento de produtos. "Você poderá acessar este ambiente de simulação de qualquer lugar do mundo e experimentar seu novo robô nele."
